В первой наступательной операции фронтового масштаба, начавшейся 17 июля 1943 года, которой руководили Толбухин и Бирюзов, как известно, не удалось прорвать "Миус-фронт". Имевшихся в распоряжении командования Южного фронта сил и средств было явно недостаточно, чтобы преодолеть оборонительные рубежи противника, которые он непрерывно укреплял еще с осени 1941 года. Две недели продолжался штурм вражеских позиций. Вражеские войска, опираясь на свои мощные оборонительные сооружения, оказывали бешеное сопротивление. Их авиация неистовствовала, совершая в день по три тысячи самолето-вылетов. Чтобы сдержать натиск советских войск Южного фронта, фашистское командование оказалось вынужденным перебросить на Миус из-под Харькова, Белгорода и Курска несколько танковых и пехотных дивизий. Этим фронт выполнил главную свою задачу: Гитлер не только не снял ни одной дивизии с "Миус-фронта", но, наоборот, ему пришлось перебросить туда ряд соединений, участвовавших в Курской битве. Лишь ценой огромных потерь (до 30-40 процентов людей и техники) противнику удалось удержать за собой занимаемые позиции на Миусе. Важно было и то, что солдаты Манштейна после этих боев утратили веру в их непреодолимость.
Эта операция сыграла большую роль в становлении Бирюзова как начальника штаба фронта. Как и ожидал Бирюзов, командующий фронтом, опытный в штабных делах и дотошный по характеру, в первое время строго контролировал все действия нового начальника штаба. Порой это даже вызывало раздражение. Но Бирюзов который раз убеждался, что замечания и советы Толбухина - дельные, квалифицированные и всегда своевременные. И, как ни досадна была опека, Бирюзов понимал, что с помощью Толбухина он быстрее и с большей пользой для дела освоит новый для него объем штабной работы. Впрочем, вскоре Толбухин предоставил ему полную самостоятельность. А это было признанием того, что Бирюзов быстро освоился со своими обязанностями и вполне соответствует тем высоким требованиям, которые предъявлял Толбухин к начальнику штаба фронта.
Свою деятельность генерал Бирюзов не мыслил без частых выездов в войска. Собственно, именно поэтому в свое время его не особенно обрадовало назначение на должность начальника штаба армии. И теперь он был озабочен тем, что новая должность привяжет к бумагам в штабе и оторвет от той повседневной живой деятельности в гуще войск, без которой себя не мыслил. С тем большим беспокойством вскоре по прибытии в штаб Южного фронта воспринял сетования командующего Толбухина по поводу частых выездов в войска бывшего командующего артиллерией фронта генерала И. С. Краснопевцева.
- Что это у нас за командующий артиллерией? Уедет в полки, да еще противотанковые, и живет там днями. Когда бы его ни вызывал, все нет на месте.
Бирюзову как раз импонировала такая непоседливость. С тревогой думалось: "А что же скажет командующий, когда начальник штаба попросится в войска?" Он, конечно же, отдавал себе ясный отчет в том, что обязан прежде всего организовать четкую и слаженную работу подчиненных отделов и служб, чтобы обеспечить безусловное проведение в жизнь замыслов и решений командующего. На это направил всю свою энергию, делал все, чтобы обеспечить именно такую работу штаба, безотрывно держал в своих руках нити управления всеми его звеньями. С тем большим основанием рассчитывал, что командующий не будет препятствовать его стремлению как можно чаще бывать в войсках, а не сидеть в штабе, зарывшись в бумаги.
Командирская жилка явно превалировала в нем, и трудно сказать, как бы пошла дальше его служба и как бы сложились его взаимоотношения с командующим, если бы тот насильно попытался подавить в нем эту жилку.
Боевые действия Южного фронта на "Миус-фронте", помимо их оперативных итогов, стали первым пробным камнем с точки зрения становления взаимоотношений двух военачальников, которых судьба, как говорится, поставила в одну упряжку.
Наступление с самого начала развивалось трудно. Для наращивания силы удара командующий фронтом уже в первый день операции распорядился ввести в дело второй эшелон фронта - 2-ю гвардейскую армию. Позже сам он сожалел, что это было сделано преждевременно. Однако и других решений в той конкретной обстановке не виделось. Необходимо было наращивать силу удара. Однако и движение 2-й гвардейской армии вскоре застопорилось при усиливавшемся с каждым часом сопротивлении пехоты противника, под непрерывными бомбежками его авиации.